Основы телевидения и видеотехники (стр. 21 )

Кодирующие светофильтры могут быть выполнены на:

1) основных цветах R, G, B;

2) дополнительных цветах Ye = G + R (желтый), G (зеленый), Cy = G + B (голубой).

На основных цветах обеспечивается лучшая цветопередача, на дополнительных – лучшая чувствительность, так как прозрачность светофильтров выше.

Рис. 12.3. Структура Байера

Структура Байера в многосигнальных ФЭП выполняется или на основных цветах R, G, B, G, или на дополнительных цветах Cy, Mg, Ye, G, где Mg – маджента (оранжевый).

В модификации структуры Байера один из зеленых пикселей заменен на светло-голубой (R, G, B, Е, где Е – еmerald – изумрудный), что улучшает качество цветопередачи сине-зеленых и красных оттенков.

Структура требует цветовой интерполяции, чтобы получить значения R, G, B для каждого элемента ФЭП. Это приводит к неизбежным искажениям цвета в мелких деталях. Например, мелкая белая точка на черном фоне может случайно попасть на синий элемент и будет представлена синим цветом.

Такие искажения называются алиайсингом. Они устраняются методами коррекции, в которых используются итерационные (многопроходные) алгоритмы – антиалиайсинг.

Таким образом, достоинства структуры Байера – простота и дешевизна. Недостатком является резкое падение разрешающей способности, так как одна цветная точка формируется из четырех субпикселей. Кроме этого, при выделении яркостного сигнала появляются ложные цветные окантовки (алиайсинг), что приводит к потере точности цветопередачи.

Для устранения недостатков применяют дополнительную обработку видеосигнала (антиалиайсинг) с помощью различных алгоритмов цветовой интерполяции, получая значение недостающих цветов, интерполируя имеющиеся значения, а затем осуществляя НЧ-фильтрацию для подавления артефактов цветовой интерполяции, проявляющихся в виде цветового муара (мелкоструктурной цветовой сетки) или окантовок изображения.

Интерполяция основана на таком свойстве зрения, как низкая чувствительность к мелким цветным деталям (рис.12.4). Причем зрение менее чувствительно к диагональным линиям, чем к вертикальным и горизонтальным (в природных и искусственных объектах также преобладают вертикальные и горизонтальные линии – деревья, трава, здания, текст). Сущность интерполяции заключается в том, что размер зеленых пикселей искусственно увеличивают в 1,5 раза, ориентируя их диагонали по горизонтали и вертикали. В результате части увеличенных зеленых пикселей распространяются на соседние красные и синие пиксели. Красные и синие пиксели ориентации не меняют, но их размер увеличивают в 2 раза. В результате части увеличенных красных пикселей искусственно распространяются на соседние синие и зеленые пиксели, а части увеличенных синих, соответственно, – на соседние красные и зеленые.

Рис. 12.4. Изменение пикселей при интерполяции

Такой прием позволяет раскрасить каждый отдельный пиксель с известной степенью достоверности. Однако в результате интерполяции разрешение в зеленом канале ухудшается в 1,5 раза, а в синем и красном – в 2 раза. Существует ряд улучшений структуры Байера, в частности, производят ее разворот на 45°, в результате чего диагональные линии становятся горизонтальными и вертикальными. Поскольку диагональное интерполированное разрешение выше, чем по горизонтали и вертикали, то такой прием несколько компенсирует потерю разрешения от интерполяции.

Другой вариант улучшения структуры Байера заключается в создании гексагональной структуры по типу пчелиных сот (рис. 12.5). В результате получается дополнительно эффект повышения чувствительности и отношения сигнал/шум. Кроме этого, достигаются некоторые технологические удобства, связанные с пленочными технологиями. В гексагональной структуре горизонтальный размер зеленого пикселя при интерполяции не изменяется, и, следовательно, разрешение по горизонтали в зеленом, в отличие от классической структуры Байера, не ухудшается.

Рис.12.5. Гексагональная структура и вид интерполированных пикселей

Контрольные вопросы

1.  Чем определяется коэффициент мощности шума ФЭУ?

2.  Чем определяется коэффициент мощности шума МКП и ЭОП?

3.  В чем заключаются преимущества и недостатки одноматричных цветных телевизионных камер?

При составлении лекции использована литература [1, 2, 7, 19].

ЛЕКЦИЯ 13

13.1. Преобразование «сигнал – свет». Катодолюминесценция и люминофоры

Существует ряд способов преобразования электрических сигналов в свет. Один из них заключается в применении люминофоров – специальных веществ, светящихся под действием электронной бомбардировки. Это явление называется катодолюминесценцией. Основная часть энергии электронов уходит в тепло, лишь незначительная часть (несколько процентов) – на возбуждение атомов кристаллов.

Для изготовления экранов электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) используют люминофоры с наиболее сильной катодолюминесценцией (силикаты, оксиды и сульфиды цинка, кадмия и некоторых других металлов). Излучение повышается при добавлении активаторов (медь, серебро, марганец). Спектр люминофоров является сплошным из-за множества уровней энергии. Комбинацией люминофоров создают как белое, так и цветное свечение.

Накачка (возбуждение) люминофора происходит практически мгновенно. Яркость свечения падает сначала быстро, затем медленно (рис. 13.1). Люминофоры характеризуются так называемым временем послесвечения. Для кинескопов это время должно быть меньше времени кадра, иначе за движущимся предметом будет тянуться светлый след.

Рис. 13.1. Изменение яркости свечения люминофора после возбуждения:

t – время послесвечения

13.2. Принцип работы кинескопа

Об электронной оптике

В ЭЛТ (кинескопах) используются электронные лучи. Их необходимо фокусировать, т. е. создавать как можно более тонкий пучок. Существует аналогия между световым и электронным лучами. Можно считать, что при пересечении они так же, как и световые, не влияют друг на друга, поскольку плотность электронов достаточно мала. Разница в том, что в отличие от фотонов электронами можно управлять с помощью электронных и магнитных полей.

Так, например, для параллельного переноса электронного изображения необходимо магнитное поле с параллельными силовыми линиями (рис. 13.2). Этот принцип лежит в основе простейшего электронно-оптического преобразователя (ЭОП) (рис. 13.3).

Рис. 13.3. Простейший способ электронного переноса изображения

Рис. 13.3. Простейший ЭОП

Аналогично оптическим линзам можно создать электронные линзы (рис. 13.4), которые образованы эквипотенциальными поверхностями, создаваемыми силовыми линиями электрического или магнитного поля.

Рис. 13.4. Электронная линза

Об управлении электронным лучом в кинескопах

В любом кинескопе используются электронные прожекторы (или электронные пушки), создающие узкий пучок электронов, фокусируемый на экране. Отключение луча осуществляется электрическим или магнитным полем. Используются так называемые отклоняющие системы (ОС), формирующие структуру магнитного поля, которая позволяет обеспечить значительный размер изображения по диагонали 72 см и более практически на плоском экране со спрямленными углами.

Кинескопы, кроме электронных прожекторов, содержат модуляторы – управляющие электроды, позволяющие изменять ток луча, а, следовательно, и яркость свечения экрана, а также аноды, напряжение на которых заставляет электроны двигаться к люминесцирующему экрану.

Цветные кинескопы содержат три электронных прожектора, управляемые тремя модуляторами, на которые подаются соответствующие сигналы R, G и В, и имеют более сложную конструкцию, обусловленную необходимостью обеспечения попадания каждого из лучей на люминофор своего цвета.

Рис. 13.5. К принципу формирования развертки в отклоняющей системе ЭЛТ:

КГИ, СГИ – кадровые и строчные синхроимпульсы;

Uк и Uс – пилообразные напряжения для работы кадровых и строчных катушек

отклоняющей системы кинескопа

Экран цветных кинескопов выполнен в виде чередующихся цветных люминофорных элементов, например, полосок (штрихов). Кинескопы для обеспечения попадания электронных лучей на свои триады (три рядом расположенных штриха R, G, B) имеют, так называемые, маски и дополнительные электростатические устройства (устройства сведения лучей).

Однако, в настоящее время кинескопы практически вытеснены плоскими жидкокристаллическими и плазменными экраны, в которых также реализуется принцип аддитивного сложения цветов. Кратко остановимся на особенностях их конструкций.

13.3. Принцип работы жидкокристаллических экранов

Жидкими кристаллами называют вещества, обладающие как свойствами жидкости, так и свойствами твердого тела. В жидкокристаллических (ЖК) экранах (в английской аббревиатуре – LCD – Liquid Crystal Device) используется свойство жидких кристаллов изменять свою ориентацию в пространстве под действием электрического напряжения. В свою очередь, упорядоченная молекулярная структура позволяет изменять поляризацию света, проходящего через нее. Ячейки жидких кристаллов образуют прямоугольную ЖК-матрицу (панель). Сама ЖК-панель не является источником света. Она пропускает свет, излучаемый неоновой лампой.